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《吉林大学》 2012年
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发动机缸体主轴承座材料裂解性能及加工数值模拟

王蒙  
【摘要】:裂解加工技术兴起于上世纪九十年代,在其发展过程当中,工艺逐渐成熟,设备不断改善,裂解质量也在不断提高。这种加工方法,节省了大量的设备和工序,不需要对接合面进行精加工处理,刀具磨损减少。断裂面的三维凹凸形貌就是一种天然的啮合定位,定位精度极高,并且大大地提高了承载能力,与传统的分体式加工方法相比,具有无可比拟的优势。随着世界汽车工业技术水平的提高,裂解技术得到了多方面的发展,逐渐应用于缸体主轴承座的的加工中,缸体材料属于脆性材料,并且多个轴承座处于同一轴线上,使得缸体主轴承座更加适合与裂解加工技术,但因为缸体的重要性,对其精度提出了更为严格的要求。基于此,本文在以下几个方面展开研究: (1)缸体材料种类繁多,除一些高档汽车使用铝合金材质发动机外,大多数汽车及工程机械缸体材料为脆性的铸铁材料。本文选取三种典型铸铁材料:蠕墨铸铁RuT380、灰铸铁HT250、球墨铸铁QT500进行研究,通过拉伸试验测得三种材料在拉伸试验中测得断裂极限分别为410MPa、261MPa、606MPa。 (2)分析机械拉削和激光切削两种方法加工出来的裂解槽的几何形状,并基于ABAQUS有限元分析软件建模,模型以捷达轿车的缸体主轴承座尺寸为标准,取其1/4建模。按照其在裂解过程中的载荷情况,设置接触和约束。对于裂纹区域,采用局部细化,用以模拟裂纹槽应力集中的特点,提高计算精确度。 (3)以RuT380材料为例,对某一特定裂解槽参数,通过J积分理论和最大拉应力理论分析,计算起裂时刻的主动裂解载荷,分别为144.92KN和139.87KN,并通过实验验证,得到真实的断裂载荷137KN,误差分别为5.78%和2.09%。对裂解槽参数进行优化,各参数的取值范围分别是,槽深0.3~0.8mm,根部曲率半径0.05~0.3mm,槽张角0°~90°。通过模拟分析不同槽参数对裂解载荷的影响规律,得出结论:裂解载荷随槽深增加而下降,随曲率半径增加而增加,而张角影响不明显。但是考虑到减小裂解载荷必然造成切削设备投资增大以及精加工余量的问题,因此优化选择裂解槽参数为:选用拉削加工方法时,槽深范围h=0.5~0.6mm,张角范围α=60°~90°,根部曲率半径范围r=0.1~0.2mm;选取激光切槽方法时,槽深范围h=0.5~0.6mm,张角范围α=0°~20°,根部曲率半径范围r=0.05~0.1mm。 (4)以相同的方法对另两种材料,即HT250和QT500材料进行裂解载荷计算并优化其槽参数,对于灰铸铁HT250,可以将其视作线弹性材料,通过应力集中系数法计算验证这种设想。优化范围为:HT250材料,槽深0.3~0.5mm,曲率半径0.1~0.3mm,张角60°~90°,激光加工:槽深0.3~0.5mm,曲率半径0.05~0.1mm,张角0°~20°;QT500材料,槽深0.6~0.7mm,曲率半径选取0.1~0.2mm,张角60°~90°,激光加工方法,槽深0.5~0.6mm,曲率半径0.05~0.1mm,张角0°~20°。 (5)对HT250和QT500两种材料的显微组织进行了分析,HT250属于典型片状石墨铸铁,基体主要为珠光体组织。石墨呈片层状,对基体组织产生严重的割裂作用,石墨强度低,相当于微裂纹,导致HT250材料强度低、脆性好。通过SEM断口扫描,可见断裂面呈现河流状解理花样,及二次解理台阶,说明其在裂解过程中发生的是解理断裂。QT500属于典型球状石墨铸铁,基体为铁素体—珠光体组织。石墨呈球形均匀分布,基体连续性好,强度高。通过SEM断口扫描,可见基体断裂面呈现河流状解理花样,及二次解理台阶,属穿晶断裂。石墨周围断口平整,属沿晶断裂,并伴随有韧窝和撕裂棱,说明其在裂解过程中发生的是准解理断裂。 (6)通过扩展单元方法模拟了缸体主轴承座的预制裂解槽起裂和裂纹扩展过程,获得了犬牙交错的三维断裂面形貌,并对于模拟中出现的问题和缺陷讨论起对于断裂质量的影响。 (7)对缸体裂解过程中的动态加载过程,本文以QT500为例,分析了加载速度对于裂解槽根部应变和轴承孔变形的影响,模拟结果显示,当加载速度增加到500KN/s以上时,裂纹槽根部等效应变减小,裂纹槽根部位移和轴承孔内孔弧顶位移(变形量)也大幅度减小,说明裂解性能大幅度提升。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:U464.131

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